RIFFS: Um Sistema de Arquivos para Memórias Flash baseado em Árvores Reversas

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO Marcelo T. Pereira RIFFS: Um Sistema de Arquivos para Memórias Flash baseado em Árvores Reversas Trabalho individual submetido à Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Ciência da Computação. Orientador: Antônio Augusto Medeiros Fröhlich Florianópolis, Fev de 2004

2 RIFFS: Um Sistema de Arquivos para Memórias Flash baseado em Árvores Reversas Marcelo T. Pereira Esta Dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de Mestre em Ciência da Computação, área de concentração Sistemas Operacionais e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação. Fernando Gauthier Banca Examinadora Antônio Augusto Medeiros Fröhlich Marcelo Pasin Rômulo Silva de Oliveira Wolfgang Schröder-Preikschat

3 iii A melhor forma de prever o futuro é criá-lo. (Peter Druker)

4 iv às minhas alianças afetivas, à natureza, ao futuro...

5 Sumário Lista de Figuras Lista de Tabelas Resumo Abstract viii ix x xi 1 Introdução 1 2 Memórias Flash Conceitos Gerais Operações Tecnologias Estudos de Casos Sistema de Arquivos Dispositivo de Armazenamento Blocos Lógicos Gerenciamento de Blocos Livres Gerenciamento de Arquivos Operações Gerenciamento dos Blocos de Arquivos Gerenciamento de Diretórios Operações

6 vi 4 Sistemas Arquivos para Memórias Flash Conceitos Gerais Apagamento-e-escrita Remapeamento Device Drivers Estudo de Casos Sistemas de Arquivos Estudo de Casos Projeto do Sistema RIFFS Motivação Objetivos Modelo Arquitetural Sistema de Arquivos Dispositivo Armazenamento Gerenciamento de Diretórios: Implementação do Sistema RIFFS Componentes do Sistema Flash Control Scanner Allocator Device Manager File Manager Directory manager Garbage Collector Notas Resultados do Sistema Plataforma de testes Escrita de Dados

7 vii Codificação do sistema Tamanho de estruturas Conclusão 60 Referências Bibliográficas 63

8 Lista de Figuras 4.1 Atualização de dados na Flash Atualização de dados na Flash Estrutura da FTL Arquitetura do MTD Arquitetura do JFFS Camada TrueFFS dentro do Sistema Operacional (a) Visão Lógica. (b) Visão da RAM. (c) Visão da Flash Arquitetura do Setor (a) Visão Lógica. (b) Visão na RAM. (c) Visão na Flash Módulos da arquitetura RIFFS

9 Lista de Tabelas 6.1 Tempo de Escrita em Arquivo (TEA) para o RIFFS Tempo de Escrita em Arquivo (TEA) para o JFFS Comparação de desempenho entre: RIFFS e JFFS

10 Resumo Este trabalho apresenta uma nova estrutura de armazenamento de dados em memórias flash, chamada de Reverse-Indirect Flash File Sistem (RIFFS). As Flashs possuem uma limitação na atualização de seus dados, e pensando em amenizar esta característica pensou-se em deixar todos os dados e meta-dados dentro do próprio arquivo. Isso seria impraticável com os sistemas existentes, porque não seria possível localizar um arquivo diretamente, a partir do nodo raiz da árvore. A maneira encontrada foi criar uma árvore reversa. Este esquema quebraria a navegabilidade do sistema, e então uma árvore direta precisa ser construída na memória RAM. É mostrado neste trabalho o gerenciamento de uma árvore reversa para contornar as limitações da memória flash. Dentro deste esquema é possível evitar excessivas atualizações e operações de escrita, aumentando assim a vida útil da flash. Keywords: sistemas operacionais, sistemas embutidos, memória flash, sistema de arquivos.

11 Abstract This project presents a new technique for flash storage management called a Reverse-Indirect Flash File System (RIFFS). However, flash memories have a drawback: its data cannot be updated-in-place. To solve this limitation, all the data and meta-data is leaving inside of the proper archive. This would be impracticable with the actually systems, because it would not be possible to locate a file directly, from root. The solution was to construct a reverse-tree. This schema would break the navigability of the system, and then a direct tree need to be constructed in RAM memory. This work shows the reverse-tree management schema to solve the limitations of flash memories. This solution helped to minimizate extreme updates and write operations, increasing flash life-time. Keywords: operating systems, embedded systems, flash memory, file systems.

12 Capítulo 1 Introdução Já não é de hoje que o Homem moderno se acostumou com aparelhos ou ferramentas eletrônicas no cotidiano. Alguns trazem vantagens ao desempenharmos nosso trabalho, enquanto outros nos trazem conforto, comodidade, etc. Estes aparelhos estão presentes nas mais diversas áreas, desde a mais simples como um relógio despertador, até as mais complexas como por exemplo o sistema de foco de uma filmadora digital ou o sistema de navegação de um carro [GRO 96]. Para o funcionamento destes dispositivos, existe a necessidade de um sistema de configuração e controle, e a todo este conjunto damos o nome de sistemas embutidos ou sistemas dedicados. Os sistemas embutidos são construídos com componentes eletrônicos em geral, como por exemplo circuitos integrados, portas lógicas, circuitos impressos, microprocessadores, etc; e comumente controlados por softwares específicos. Normalmente quando nos referimos à estes circuitos, lembramos de computadores pessoais (PC) e de seus chips de processamento (CPU), esquecendo dos vários equipamentos a nossa volta que também se utilizam deles. De acordo com Tennenhouse [TEN 00] apenas 2% dos 8 bilhões de processadores fabricados em 2000 foram aproveitados para estações de trabalho (PC), sendo que a grande maioria teve seu fim em sistemas embutidos. O sucesso dos sistemas embutidos não se deu apenas à utilização da tecnologia de componentes eletrônicos, mas também ao uso de softwares específicos para cada sistema. Estes programas podem tanto exercer apenas algumas funções dentro do

13 sistema como executar funções mais complexas de gerenciamento de processos, alocação de recursos, etc. Independente da complexidade e do tamanho, estes softwares específicos precisam ser armazenados em algum tipo de mídia não-volátil, e a mais comumente usada é a memória apenas de leitura (Read-Only Memory - ROM), e suas variantes: EPROM 1 e EEPROM 2. Este último tipo de memória foi eleita pela sua baixa latência de leitura, alta resistência e pequeno tamanho, em comparação à outras mídias. Quando é necessário atualizar algum dado, este tipo de memória precisa ser apagado por inteiro e depois reescrito. A fim de melhorar a rotina de atualização, foi agregado mais um membro à esta família de memórias, chamado de Memória Flash. Esta não precisa ser apagada por inteiro, mas em blocos chamados de unidades de apagamento ou setores. Com isso sua atualização acaba sendo mais rápido e conseqüentemente seu consumo de energia acaba sendo menor. Com uma alta densidade, um peso leve, um pequeno tempo de latência, um baixo consumo de potência, e por fim uma vantagem na atualização de dados, as memórias flash se tornaram um meio atrativo de armazenamento de dados. Infelizmente por causa do seu preço, hoje em dia ela não é usada como armazenamento principal em computadores pessoais (ou outros sistemas de grande porte), mas suas vantagens de armazenamento em sistemas embutidos é clara. Como dito anteriormente, existe o grupo de SE que está ficando cada vez mais complexo, como é o caso do telefone celular, por exemplo. Esta linha de dispositivos precisa se preocupar, entre outras coisas, com o armazenamento: dos dados de configuração, dos dados do usuário, de módulos do próprio sistema (como por exemplo uma nova versão da máquina virtual java), etc. Por causa do tamanho das aplicações, houve uma necessidade do aumento das memórias flashs, e da implementação de um sistema de arquivos. A manipulação de dados dentro destas memórias possui suas peculiaridades, e por este motivo, a construção de um sistema de arquivos em uma flash torna-se um desafio à engenheiros de software. 1 EPROM - Eraseable ROM 2 EEPROM - Eletricaly EPROM 2

14 3 Pensando em aproveitar as vantagens da flash, e tentando contornar suas limitações, pesquisadores tiveram que desenvolver e reciclar conceitos para construir sistemas de arquivos para essas memórias, manipulando os dados de uma forma eficiente. Este trabalho apresenta uma estrutura de armazenamento diferente dos sistemas de arquivos para memórias flash atuais. O sistema de diretórios é baseado em árvores reversas e o sistema de arquivos é baseado em uma estrutura diferente das encontradas atualmente, chamado de contexto de arquivo. A principal idéia deste artigo está nas estruturas físicas gravadas na Flash, e como gerenciá-las eficientemente. Neste cenário, cada arquivo agrupa todas informações pertencentes a ele próprio, criando assim o contexto de arquivo. Com isso é possível uma diminuição na atualização dos dados de controle em relação a outros sistemas de arquivos. Para conseguir satisfazer este requisito, foi preciso a concepção de uma árvore reversa com a ligação indireta entre seus nodos, surgindo assim o nome do projeto: Reverse-Indirect Flash File System - RIFFS. O próximo capítulo mostra as desvantagens das memórias flash, e possíveis algoritmos para contorná-los. O terceiro capítulo é um estudo sobre as teorias clássicas de sistemas de arquivos, e seus algoritmos. O quarto capítulo mostra como são feitos os sistemas de arquivos para memórias flash. O quinto capítulo descreve o sistema de arquivos proposto (RIFFS), sua arquitetura e projeto. No sexto capítulo é mostrado como foi feita a implementação do primeiro protótipo. Por último, é mostrado uma breve conclusão do trabalho.

15 Capítulo 2 Memórias Flash Este capítulo descreve uma visão geral da Tecnologia de Memórias Flash, trazendo principalmente o estado-da-arte neste campo e servindo como base para as próximas sessões neste texto. A memória flash é um tipo de memória não volátil, mas com seu funcionamento bem distinto. Ela trabalha como a união das características de leitura e escrita das Memórias de Acesso Randômico (RAM) com as características de armazenamento das Unidades de Disco Magnético. O armazenamento dos dados dentro dessas memórias é dado em células, como nas RAMs Dinâmicas (DRAM), mas ainda trabalha como um disco magnético pelo fato da persistência de dados quando a energia é desligada. Por causa da sua alta velocidade, sua grande resistência contra impactos, seu tamanho reduzido, e seu baixo consumo de potência, as flashs tornaram-se um meio ideal para armazenamento em várias aplicações embutidas como câmeras digitais, telefones celulares, impressoras, roteadores, tocadores de MP3, etc [GRO 96]. 2.1 Conceitos Gerais Memórias flash são similares às tão conhecidas memórias EEPROM, e a principal diferença entre elas está no fato de que as memórias flash são apagadas somente em blocos, e não por inteiro como era feito nas EEPROMs, possibilitando assim, criar

16 5 um sistema para gerenciar dados dentro dela, uma vez que não é preciso perder toda sua informação. Pelo fato do apagamento ser baseado em setores, os circuitos das flashs acabam sendo mais simplificados, permitindo assim uma maior densidade em relação a uma memória EEPROM equivalente. Existem atualmente vários tipos de tecnologias de memórias flash, as quais podemos citar: NOR, DINOR, T-Poly, AND, NAND; e cada uma dessas tecnologias requer um gerenciamento (funções de leitura, escrita e apagamento) específico [ST 01]. Estas tecnologias permitem às memórias flash, reterem dados sem uma fonte de energia por períodos longos como 20 anos, por exemplo. No entanto, essa mesma tecnologia é responsável por um dos grandes problemas das memórias flash: a limitação no número de apagamentos, por causa do desgaste das células de armazenamento. Com isso, os fabricantes precisam fixar o número de apagamentos que garanta a integridade dos dados (por exemplo: apagamentos), e atualmente, este valor é razoável para a maioria das aplicações embutidas. Pelo fato das memórias flash serem apagadas por setor, estes requerem uma atenção especial quanto ao seu tamanho. Os fabricantes, além de produzirem memórias com setores de diferentes tamanhos, ainda produzem chips com diferentes tecnologias, que também são conhecidos no mercado como memórias flash híbridas. Como característica, ainda podemos citar a proteção por hardware em alguns setores da flash, para melhor proteção dos dados. 2.2 Operações Existem três operações básicas que podem ser realizadas em uma flash: leitura, escrita e apagamento. O tempo de leitura e escrita de uma flash é normalmente equivalente às mesmas operações em uma DRAM, mas o tempo de operação de apagamento é bem mais lenta (chegando perto da casa dos segundos). Esta limitação pode ser contornada enviando um comando de pausa que permite parar momentaneamente a execução de uma rotina de apagamento para fazer uma outra operação, voltando depois ao estado anterior.

17 6 Leitura: A leitura de uma memória flash é bastante parecida com as leituras em memórias voláteis convencionais. Para ler um dado, é só escrever o endereço desejado no barramento de endereços da memória, e capturar o dado do barramento de dados. Isso torna o acesso dos dados em memórias flash mais rápido que os meios magnéticos. Com o intuito de reduzir os acessos e aumentar a quantidade de informação lida, alguns fabricantes implementam em suas flashs, sofisticados métodos de acesso, como: buffer de páginas, e leitura seqüencial. No primeiro método o chip contém uma memória volátil interna que armazena temporariamente os dados, permitindo a leitura de uma página inteira. O segundo método é conhecido como rajada (burst), onde é preciso informar apenas o primeiro endereço de uma leitura seqüencial de dados. Escrita: O formato da escrita dos dados em uma flash é um pouco diferente daquele que estamos acostumados a pensar. Uma flash é dita apagada quando todos seus bits possuem o nível lógico 1 (um), e dentro desta filosofia, para escrevermos algum dado em uma flash, é necessário trocar alguns bits para 0 (zero). Nesse modo, podemos resumir a operação de escrita como: escrever zeros. É importante lembrar que o contrário: transformar zeros em uns, só é possível no setor inteiro 1. Assim como na leitura, ainda temos métodos sofisticados para escrita, como: buffer de páginas e escrita seqüencial. Apagamento: Como dito anteriormente, o apagamento se dá em um setor inteiro da flash. Esse apagamento é realizado colocando todos os bits para o valor 1 (um). Pelo fato do apagamento ser a operação mais demorada de uma flash, existe um método de espera para melhorar o desempenho do sistema. Com este método é possível parar a operação de apagamento para realizar outro tipo de acesso no dispositivo. 1 Se tentarmos apagar somente um dado, provavelmente a memória flash sinalizará um evento em um de seus pinos. Este evento pode ser reportado ou não, dependendo da implementação do fabricante.

18 7 2.3 Tecnologias Desde a invenção das memórias flash, fabricantes têm procurado alternativas para aumentar o desempenho e a capacidade desses dispositivos. Como essas memórias ganharam novos mercados, tecnologias foram incorporadas para fazer das flashes um produto mais competitivo no mercado de armazenamento. O avanço destas memórias e suas tecnologias mais importantes estão citados abaixo: Tamanho de setor variável: alguns modelos possuem setores de tamanhos variados que permitem uma melhor manipulação do sistema de arquivos. Esses setores de tamanho variados são necessários quando se deseja bloquear dados na flash. Normalmente os setores de tamanho variado em uma flash estão no início ou no fim do seu espaço de endereçamento. Paralelismo de operações: as flashes podem ser formadas por diferentes bancos de armazenamento que operam em paralelo, e assim, operações podem ocorrer simultaneamente na mesma flash, desde que estejam sendo feitas em diferentes bancos. Interface padronizada (CFI): Common Flash Interface (CFI) é um conjunto de operações adotado por um grupo de fabricantes com a intenção de padronizar o acesso às informações das memórias flash. Por exemplo, uma memória flash possui informações como seu número de série, número do fabricante, número de setores, etc. O CFI foi o padrão adotado para a requisição dessas informações, para que as aplicações não se preocupem em conhecer os detalhes dos dispositivos e das versões de cada fabricante. Tecnologia de vários-níveis: essa tecnologia se refere à capacidade de armazenar dois bits de informação em apenas uma célula. Normalmente uma célula consegue armazenar apenas um bit de informação, e com esta tecnologia, o tamanho do chip está sendo reduzido pela metade. Segurança: alguns modelos possuem registradores de segurança que indicam qual setor na flash pode ser protegido. Este termo: segurança, não está relacionado com

19 8 criptografia, mas sim com o bloqueamento físico de um setor na flash. Setores Híbridos: alguns modelos de memórias flash podem ter setores de diferentes tecnologias. Estes dispositivos são chamadas de híbridos e encontrados em fabricantes que disponibilizam memórias com setor de boot. Normalmente este setor de boot é uma tecnologia diferente dos outros setores pelo fato do seu acesso ser mais lento. 2.4 Estudos de Casos tecnologia disponível no mercado. Esta sessão mostra alguns fabricantes de memórias flash bem como sua AMD AMD disponibiliza vários modelos de memórias flash compatíveis com a interface CFI. As voltagens de seus dispositivos variam entre 1.8V até 5.0V. A densidade máxima hoje em dia é de 256 Mb com a presença, ou não, de um setor dedicado para boot. Suas memórias operam em temperaturas entre a faixa comercial ( o C) até super-estendida ( o C). Os modelos disponíveis atualmente possuem as tecnologias: Mirror- Bit e Dual Operation. Dual Operation : Pela incorporação de uma memória SRAM no chip, a AMD fez um modelo que pode funcionar com várias operações simultâneas. Todas operações são executadas na memória SRAM e depois transferidas para flash. A aplicação não tem essa visibilidade de operação, e usa o componente como se fosse uma flash normal. MirrorBit Technology : Esta é a tecnologia de vários-níveis, que diferencia esse tipo de flash das demais, pela implementação de uma célula que armazena dois bits de informação. Dessa maneira o chip tem metade do tamanho se comparado com outro de mesma capacidade.

20 Intel Os produtos da Intel também possuem suporte à interface CFI. Os componentes operam a uma faixa de voltagem entre 1.8V até 5.V, e alguns modelos necessitam uma voltagem maior (aprox. 12V) para realizar operações especiais como bloquear um setor, etc. Os tipos de dispositivos fabricados podem ter as seguintes tecnologias: paralelismo (vários bancos), tamanho de setores variados, setores híbridos e células de vários-níveis. A Intel tem ainda duas tecnologias exclusivas que minimizam o tempo de escrita na flash, chamados de Enhanced Factory Programing (EFP) e Buffered Enhanced Factory Programing (BEFP). EFP e BEFP : Essas duas tecnologias são usadas para diminuir o tempo de escrita na flash, usadas normalmente em sistemas embutidos que não possuem interação com o mundo externo após entrarem em funcionamento. Para isso é preciso pré-gravar o chip antes de colocá-lo no sistema definitivo. Apesar do nome diferente, essas duas tecnologias realizam a mesma tarefa, mas a diferença entre elas está no fato que o BEFP possui células de vários-níveis ATMEL As memórias da ATMEL funcionam com uma voltagem variando entre 2.7V e 5.0V. A capacidade de armazenamento das memórias desta companhia variam desde 32 Mbits até 512 Mbits. As freqüências de leitura podem chegar até 100MHz. Em alguns modelos, é possível definir o tamanho do barramento (variando entre 16 e 32 bits) em tempo de execução. As tecnologias mais usadas são: paralelismo e setor de boot. Três exemplos dos principais modelos de tecnologias dessa empresa são explicados abaixo. Fast Programming Time e Serial Flash são tipos de flash que utilizam técnicas comuns para melhorar a qualidade do dispositivo. Já o modelo Data Flash possui uma tecnologia mais elaborada. Fast Programming Time : é uma tecnologia para flash que possui um segundo estado de voltagem para escrita de dados. Esse segundo estado é aproximadamente 12V e isso

21 10 diminui o tempo de escrita das flashs deste modelo. Serial Flash : este modelo implementa o seu protocolo de comunicação via Interface de Periféricos Seriais (SPI). Esta interface faz com que a flash possa ser usada como uma memória substituta das EEPROM SPI, sem nenhuma mudança no layout da placa (caso a pinagem for compatível). Este chip opera em 20MHz, e sua densidade varia desde 512 Kbits até 4 Mbits. Data Flash : Flash compatível com a Interface SPI. Pode ter alguns setores híbridos, e o seu acesso pode ser serial ou paralelo, dependendo do número de bancos do dispositivo MICRON Os produtos da MICRON são compatíveis com a Interface CFI. As voltagens dos dispositivos variam entre 2.7V e 5.0V. O tamanho do barramento pode ser escolhido em tempo de operação, entre 8 ou 16 bits. As temperaturas variam entre comercial à estendida. Alguns modelos possuem a tecnologia de boot-sector e multi-bancos. O principal modelo é chamado de Sync Flash que possui uma interface SDRAM com o mundo exterior, fazendo o software enxergá-la como uma memória do tipo RAM. Sync Flash : Neste modelo, uma interface SDRAM é implementada. Com um alto desempenho de leitura (similar à uma RAM equivalente), esse tipo de flash tornou-se uma escolha competitiva para aplicações que necessitam executar código, ao invés de simplesmente armazenar dados. Os planos para o futuro desta tecnologia é substituir as atuais memórias RAM para persistência de programas.

22 Capítulo 3 Sistema de Arquivos O Sistema de Arquivos serve para dar suporte ao armazenamento de arquivos de vários tipos, como textos, desenhos, executáveis, etc. Entre outras tarefas, o sistema de arquivos deve prover para o usuário uma interface simples e fácil de usar, na manipulação de seus dados. Ele é responsável por implementar em software um recurso que não existe no hardware. O hardware oferece simplesmente um grande conjunto de bytes contíguos, e a tarefa principal do sistema de arquivos é implementar a abstração de arquivo em cima do dispositivo de armazenamento. Este capítulo trata dos conceitos relacionados aos dispositivos de armazenamento e ao gerenciamento de Arquivos e Diretórios pelo sistema de arquivos, descritos a seguir. 3.1 Dispositivo de Armazenamento O dispositivo de armazenamento de um sistema de arquivos pode ser qualquer mídia (também chamada de memória secundária), a qual provê um meio de armazenamento em massa, e a persistência de dados 1. Algumas tecnologias de dispositivos de dados persistentes, utilizam o acesso a dados através de blocos físicos, como é o caso do Compact Disk (CD), Hard Disk (HD), Floppy Disk, etc. O tamanho de cada bloco físico pode variar de acordo com cada fabricante, e no intuito de padronizar o acesso a 1 Persistência também pode ser entendida como a retenção de dados previamente armazenados, sem fonte de alimentação.

23 12 dados, os sistemas de arquivos implementam uma estrutura chamada de bloco lógico. Outra característica importante no acesso a dados é preocupação com o gerenciamento de blocos livres. O sistema de arquivos precisa saber quais blocos estão ocupados e quais estão livres, para realizar suas operações de leitura e escrita, a fim de garantir a integridade do sistema. A seguir são mostrados os conceitos de: blocos lógicos e seu gerenciamento Blocos Lógicos O conceito de Blocos Lógicos surgiu da necessidade em homogeneizar as operações em diferentes dispositivos. Desta forma as camadas superiores podem trabalhar com blocos lógicos de qualquer tamanho, fixo ou variado, sem se preocupar com as peculiaridades específicas de cada dispositivo, implementadas pelas camadas de acesso ao hardware. Um fator relevante para um sistema é o tamanho do bloco lógico utilizado. Este tamanho pode ser fixo ou variado, conforme mostrado a seguir: Blocos de tamanho fixo: Dentro deste cenário, existe um fator muito importante na escolha do tamanho do bloco, que é a granularidade do disco. Por um lado, um dispositivo muito grande com blocos pequenos pode ser de difícil gestão, enquanto que um dispositivo muito pequeno com blocos grandes pode apresentar uma fragmentação interna indesejada. Blocos de tamanho variado: Um sistema com blocos de tamanho variado apresenta uma maior flexibilidade do sistema em tempo de execução. Por outro lado, o código que implementa este tipo de característica, precisa ter um cuidado maior no controle de seus blocos. Existe a preocupação, a cada operação, do tamanho do bloco, o que não ocorre com blocos de tamanho fixo Gerenciamento de Blocos Livres O Gerenciamento de Blocos Livres é uma das tarefas em um sistema de arquivos que adota a padronização de blocos lógicos, mostrados anteriormente. Esta

24 13 função é de extrema importância para o sistema, pois um simples erro pode sobrescrever uma área utilizada, chegando até a invalidar um arquivo todo. Este gerenciamento é extremamente dependente do tipo do bloco lógico de dados adotado pelo sistema (fixo ou variado), e também do tipo de mapeamento dos blocos (descrito a seguir). No entanto, tempos basicamente duas técnicas para o gerenciamento de blocos livres: mapa de bits e lista encadeada, conforme mostrado a seguir. Mapa de Bits: Dentro do dispositivo é reservado um espaço onde será inserido este mapa. Ele consiste de uma seqüência de bits, onde a posição do bit indica o número do bloco que ele representa, e seu valor indica o estado do bloco livre ou ocupado. A vantagem deste método é a sua simplicidade de implementação e a forte tendência em alocar blocos contíguos. Sua desvantagem vem da dificuldade em gerenciar grandes mapas, uma vez que não podem ser carregados na memória principal. Lista Encadeada: Consiste em manter uma lista encadeada contendo todos os blocos livres do disco. Para alocar um bloco, retira-se o primeiro da lista e para liberar adiciona-o na lista. Esta lista é grande no caso de um dispositivo vazio e normalmente ela é mantida na própria mídia. Conforme a ocupação do dispositivo aumenta, esta lista diminui até sua extinção, provendo seu espaço inicial para o usuário (o que não ocorre no conceito anterior). Ela é bastante eficiente em operações corriqueiras de alocação e liberação, mas pode gerar blocos seqüenciais completamente dispersos. 3.2 Gerenciamento de Arquivos A manipulação de dados nos dispositivos pode conter um conjunto de atividades difíceis e indesejadas pelos usuários, como o cálculo da sua localização, controle de alocação, etc. A fim de tornar estas atividades transparentes, a funcionalidade do sistema de arquivos é passada aos usuários através do conceito de arquivo. Arquivo é um conjunto de dados armazenados em um dispositivo. Cada arquivo contém dados do usuário que possuem algum significado para ele ou para o sis-

25 14 tema. Normalmente os arquivos possuem um nome dado pelo usuário para que este seja identificado entre os demais arquivos dentro do sistema. Além do nome, cada arquivo pode possuir uma série de outros atributos que são úteis tanto para o usuário quanto para o sistema, e entre os mais usuais podemos citar: Tipo do conteúdo, Tamanho, Data e hora de criação, Data e hora de alteração, etc. Os arquivos são vistos pelo sistema através de uma estrutura chamada descritor de arquivo (file descriptor). O descritor é um registro no qual são mantidas as informações a respeito do arquivo. Essas informações incluem: os seus atributos, além de outros dados que não são visíveis aos usuários, mas imprescindíveis para que o sistema implemente as operações sobre arquivos. Um exemplo destes dados é o número lógico atribuído a cada file descriptor, também chamado de identificador e conhecido por id Operações O sistema de arquivos deve prover um conjunto de operações para que o usuário manipule seus arquivos. A partir das operações básicas, muitas outras podem ser implementadas e exportadas como facilidades do sistema. Um exemplo é a operação de cópia de arquivo, a qual é implementada com as operações de leitura e escrita. Diferentes sistemas de arquivos, implementam diferentes funções básicas, mas podemos citar como as mais usuais: Criação( create ): Cria um arquivo sem dados, e um descritor lhe é associado. Caso não existam descritores disponíveis no dispositivo de armazenamento, a solicitação de criação é negada. Remoção( remove ): Operação que libera os recursos associados ao arquivo. Abertura( open ): A fim de acessar dados contido em um arquivo, um processo deve antes abrí-lo. Nesta operação, o descritor de arquivo é trazido para as tabelas internas do sistema, na memória principal, para o rápido acesso.

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